如何学好微电子知识

微电子学（Microelectronics）是电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。它以实现电路和系统的集成为目的的。微电子学中实现的电路和系统又成为集成电路和集成系统，是微小化的；在微电子学中的空间尺寸通常是以微米（μm，1μm=10 − 6m）和纳米（nm，1nm=10 − 9m）为单位的。形象的说，电脑主板上的器件是普通肉眼可见的，而CPU等等类似的芯片里面的电子器件是无法用肉眼观察的，因为是微米和纳米级别大小的，所以电子器件的形貌和性质跟普通电子器件不同，因此微电子专业不仅仅需要学习数字电路、模拟电路这些普通电子类基础课，还要学习半导体物理、半导体器件、集成电路设计等等专业课，了解微观的物理现象，所以微电子比其他学科要深要难要专一点，微电子的可以转行抢别的电子专业的饭碗，但是别的电子专业很少能够转到微电（关于这点有人存在争议，仅供参考）其次是方向。这个本科的时候体会不深，到了研究生就能区分开了。微电子的方向分为三个：材料、器件和工艺、电路设计。材料就是研究做芯片需要的材料，就业面非常窄；器件和工艺主要是研究芯片怎么做出来的，怎么做才会有更好的性能；电路设计就是设计芯片内部电路，这个是难度最大也是人才最稀缺的方向，所谓高收入人群就是这群精英。微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的，微电子第二次大战中、后期，由于军事需要对电子设备提出了不少具有根本意义的设想，并研究出一些有用的技术。1947年晶体管的发明，后来又结合印刷电路组装使电子电路在小型化的方面前进了一大步。到1958年前后已研究成功以这种组件为基础的混合组件。集成电路技术是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照-定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，执行特定电路或系统功能。微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、电路及系统的电子学分支。作为电子学的分支学科，它主要研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学，以实现电路的系统和集成为目的，实用性强。微电子学又是信息领域的重要基础学科，在这一领域上，微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储、处理和输出的科学，是研究信息获取的科学，构成了信息科学的基石，其发展书评直接影响着整个信息技术的发展。微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要标志。微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统微电子技术。微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向。信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化和个体化。要求系统获取和存储海量的多媒体信息、以极高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用信息显示出来或用于控制。所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实。超高容量、超小型、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境追求的目标，是微电子技术迅速发展的动力。微电子技术，乍听起来给人一种很高深很复杂的感觉。其实它并没有您想象中的那么神秘，下面就让我们揭开它的面纱，了解一下它在军事领域的应用。微电子技术是当代信息技术的基础，是随着集成电路的发展而产生的。电子技术的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路等阶段。1978年超大规模集成电路研制成功，标志着电子技术正式进入微电子时代。虽然从产生到现在还不到30年，但是微电子技术的应用范围之广、发挥作用之大，使它不得不让人刮目相看。计算机、移动通讯、宇航、原子能、海洋开发、生物工程以及工业生产控制等等，到处都有微电子技术的应用。可以说，微电子技术已经完全融入了我们的生活。另一方面，在军事领域，它的普及程度和所起的作用也是惊人的：作战指挥、武器控制、作战保障、后勤保障、军事训练、人员培训、行政管理、军事科研等到处都有微电子技术的影子；而武器小型化智能化自动化、精确制导系统和卫星航天系统的实现也都离不开微电子技术。难怪美国国防部会将微电子技术列为国防关键技术项目，花大力气支持工业界联合进行科研开发呢！下面详细的介绍该如何学好微电子知识。（1）温度是粒子（分子、原子、电子等）平均动能的量度。热量是粒子的随机运动、通过碰撞把动能从较高温度的物体传递给较低温度的物体的平均动能。对于热平衡系统，其中无热量的转移。（2）热平衡状态就是整个系统中温度均匀的状态；对于几个系统而言，即是处于相同温度的一种状态，它们之间不存在热量转移的现象。（3）热涨落是系统的能量或者温度发生瞬间波动（起伏）的现象。虽然处于热平衡状态的两个体系之间并无净能量的转移；但是热平衡是一种动态平衡。从某一个瞬间来看，由于粒子的速度有高、有低（服从Maxwell速率分布定律），则仍然存在着瞬间动能——热量的传递，这就会造成热涨落。（4）热噪声（又称为Johnso npihyg kunhn http://www.esunfu.com/yanwo/index.html噪声）是电路系统中发生的电流和电压不可控制的一种涨落现象。因为热涨落是热平衡体系中存在的一种普遍现象，则在电路系统中，载流子的热涨落就会导致载流子浓度发生涨落（起伏），并从而产生电流和电压的涨落——热噪声。（5）晶体结构的种类：有七大类，即7个晶系。按照晶格型式，则共有14种（因为每一个晶系可以有几个不同的晶格型式），即14种Bravais格子。按照点群对称性，则共有32种，即32个点群。按照空间群对称性，则共有230种，即230个空间群。（6）原胞是晶体的最小重复单元，但只反映了晶体的周期性；晶胞也是晶体的一种重复单元，但反映了晶体的对称性（一般，体积要大一些）。原胞中只有一个原子的晶格是简式晶格，原胞中有一个以上原子的晶格是复式晶格。简式晶格的热振动只有声学波，复式晶格的热振动则既有声学波、也有光学波。（7）晶体原胞的选取方法可以有无穷多种（体积不变），但是最具有对称性的一种原胞是所谓Wigner-Seitz原胞；这种原胞是由一个格点到所以的近邻格点连线的垂直平分面所构成的一种多面体。例如，体心立方格子的Wigner-Seitz原胞，就是把一个体心立方晶胞切去8个顶角之后、所得到的14面体（有6个正方形和8个正六边形）；Wigner-Seitz原胞的体积是其晶胞体积的1/4。（8）晶体的正格子与其倒格子具有相同的对称性。例如，面心立方格子的倒格子是体心立方格子，体心立方格子的倒格子是面心立方格子，都具有立方晶系的对称性。（9）对于晶体中的电子波和格波，由于受到晶体体积的限制，则表示电子波和格波状态的波矢，它们的取值也要受到一定的限制，即是被限制在由kx、ky、kz构成的波矢空间的Wigner-Seitz原胞中；该原胞也就是所谓Brillouin区。对于Si、Ge、GaAs这些由面心立方Bravais格子构成的半导体而言，其Brillouin区也就是面心立方的倒格子的Wigner-Seitz原胞，因此Brillouin区的形状就是由6个正方形和8个正六边形包围而成的14面体。（10）晶体电子的状态与晶体对称性有关，并且由波矢k表示。波矢k被限制在Brillouin区中，Brillouin区中的一个代表点就表示一种状态；由于代表点的状态与对称性有关，因此就常常采用与对称性相关的符号来标志这些代表点，例如，在Brillouin区内部的代表点用大写希腊字母标志：Brillouin区中心——Γ，在<100>晶向上的代表点——Δ，在<111>晶向上的代表点——Λ；在Brillouin区边界上的代表点用大写英文字母标志：在<100>晶向的边界上（即正方形中心）——X，在<111>晶向的边界上（即正六边形中心）——L。即由Γ点到X点连线上的任一个状态都是Δ，由Γ点到L点连线上的任一个状态都是Λ。Γ点表示的状态的对称性最高。（11）Si、Ge是元素半导体，但从晶体结构来看，其中却有两种原子（它们的共价键取向不同），因此这些半导体的晶格是复式晶格，则存在光学波模式的晶格振动。（12）Si、Ge(111)晶面上的原子分布最均匀（每个原子的周围都有6个原子），故采用这种晶面来制作扩散p-n结时，能够获得平坦的结面（以得到窄的基区宽度和较高的击穿电压）。Si、Ge(100)晶面上的共价键密度最小，故采用这种晶面来制作MOS器件时，能够获得较低、而可控的阈值电压。（13）GaAs(111)晶面的晶体片，若片子的正面是Ga原子面，则片子的背面必然是As原子面（因为GaAs具有离子性，<111>是它的极性轴，为了保持电中性，就必然如此）；Ga原子面（又称为A面）和As原子面（又称为B面）的性质不同，因此在使用时必须事先区分清楚（在Ga原子面上可以看到腐蚀坑）。（14）Si、Ge、GaAs等立方晶系的晶体，沿着一定方向生长而成的晶体锭，其外表上都呈现出规则分布的所谓生长棱：沿[111]晶向生长的晶体锭，有3根主要的棱；沿[100]晶向生长的晶体锭，有4根主要的棱。并且(111)晶体片上会出现三角形的腐蚀坑；(100)晶体片上会出现四边形的腐蚀坑。（15）Si、Ge等共价键晶体（原子半导体）中的点缺陷，可以存在单个的空位或者间隙原子。但是GaAs等离子性半导体中的点缺陷，却只能存在正、负离子成对的点缺陷（这样才能保证整个晶体的电中性）。例如，正、负离子对的空位（两个原子的空位），即Frenkel缺陷；或者分别带正、负电荷的空位和间隙原子，即Schottky缺陷。（16）半导体热处理的目的：一是为了激活施主或受主杂质（使得杂质原子进入替代位置，如离子注入以后的退火），二是为了消除晶体中的应力（以避免产生缺陷）。金属热处理的目的：主要是控制其中晶粒的大小，以获得所需要的力学特性（因为金属是多晶体，它的力学性质与晶粒尺寸直接有关）。（17）晶体原子的热运动及其效果：随着温度的升高，晶体原子的热运动将表现出不同的形式。①晶格振动～只要不是0K，原子就会不断地在其平衡位置附近进行热振动（小振幅的振动），产生格波或者声子，将对晶体的比热和导电提供贡献。并且声子会散射载流子（例如，在室温下半导体中载流子的迁移率主要就决定于声子散射的作用），影响到迁移率；同时声子还会引起绝缘体或者半导体的传热（热导率最高的金刚石就是声子传热的结果）。注意，即使是在0K，由于载流子要受到测不准关系的限制，则也将存在着晶格振动（称为零点振动）。②热膨胀～在较高一些温度时，原子热振动的振幅增大，即使得原子的互作用势能曲线呈现出不对称性（即热振动的非线性效应），从而导致晶体体积发生膨胀。这时原子之间的化学键仍然维持不变（即并未断裂）。③产生热缺陷～晶体原子在热运动过程中，由于能量的热涨落，总会有一些能量较高的原子离开其平衡位置（发生价键的断裂），这就产生出晶格空位和间隙原子——热缺陷。④晶体熔化～当温度升高到某一定程度时，晶体原子的许多化学键发生了断裂，即使得长程有序的晶体转变为短程有序的液体。（18）声子～晶格振动呈现为格波的形式，格波能量的量子就称为声子。每一个格波对应于一种简正振动，即对应于一种声子；一个格波中可包含许多个声子（声子的数目由该格波所对应的能量来决定，它们遵从Bose-Einstein分布）。微电子工艺中的基本术语热氧化 硅IC成功的一个主要原因是能在硅表面获得性能优良的天然SiO2层。该氧化层在MOSFET中被用做栅绝缘层，也可作为器件之间隔离的场氧化层。连接不同器件用的金属互连线可以放置在场氧化层顶部。大多数其他的半导体表面不能形成质量满足器件制造要求的氧化。 硅在空气中会氧化形成大约厚25Å的天然氧化层。但是，通常的氧化反应都在高温下进行，因为基本工艺需要氧气穿过已经形成的氧化层到达硅表面，然后发生反应。图0.1给出了氧化过程的示意图。氧气通过扩散过程穿过直接与氧化层表面相邻的凝滞气体层，然后穿过已有的氧化层达到硅表面，最后在这里与硅反应形成SiO2。由于这个反应，表面的硅被消耗了一部分。被消耗的硅占最后形成的氧化层厚度的44%。掩膜版和光刻 每个芯片上的实际电路结构是用掩膜版和光刻技术制作形成的。掩膜版是器件或部分器件的物理表示。掩膜版上的不透明部分是用紫外线吸收材料制作的。光敏层即光刻胶被预先喷到半导体表面。光刻胶是一种在紫外光照射下发生化学反应的有机聚合物。图0.2所示，紫外线通过掩膜版照射到光刻胶上。然后用显影液去除光刻胶的多余部分，在硅上产生需要的图形结构。掩膜和光刻工艺是很关键的，因为它们决定着器件的极限尺寸。除了紫外光，电子束和X射线也能用来对光刻胶进行曝光。刻蚀 在光刻胶上形成图形之后，留下的光刻胶可作为掩蔽层，因此没有被光刻胶覆盖的部分就能被刻掉。等离子刻蚀现已是IC制造的标准工艺。通常，需要向低压舱中注入刻蚀气体，比如氯氟烃。通过在阴阳极之间是假射频电压可以得到等离子体。在阴极处放上硅片，等离子体中的阳离子向阴极加速并轰击到硅片表面上。表面处发生的实际化学物理反应很复杂，但最终效果就是硅片表面被选中的区域通过各向异性二刻蚀掉。如果光刻胶被涂到SiO2层表面，则SiO2可以用类似的方式刻蚀掉。扩散 IC制造中广泛应用的热工艺是扩散。扩散就是将特定的“杂质”院子掺入到硅材料中的过程。这种掺杂工艺改变了硅的导电类型，从而形成pn结（pn结是半导体器件的核心单元）。硅氧化形成二氧化硅薄层，通过光刻及刻蚀工艺在被选中的区域上开出窗口。 将硅片放在高温扩散炉中（约1100℃）并掺入硼或磷等杂质院子。掺杂院子由于浓度梯度的作用逐渐地扩散或移动进入硅中。由于扩散工艺需要原子的浓度梯度，所以最后的杂质原子扩散浓度是非线性的，如图0.3所示。当硅片从炉中取出并降至室温后，杂质原子的扩散系数基本上降为零，从而使杂质原子固定在硅材料中。离子注入可以替代高温扩散的工艺是离子注入。杂质离子束加速到具有高能量后射向半导体表面。当离子进入硅后，它们与硅原子发生碰撞并损失能量，最后停留在晶体中的某个深度上。由于碰撞时随机的，掺杂原子的投射深度具有一定的分布。图0.4是在特定能量下硼离子注入到硅中的例子。与扩散相比，例子注入有两个优点：（1）离子注入工艺是低温工艺；（2）可以获得良好的掺杂层。由于光刻胶或氧化层都可以阻挡掺杂原子的渗透，因此离子注入就可以仅在被选中的硅区域上发生。离子注入的一个缺点是，入射杂质原子核原为硅原子的碰撞会使硅晶格受到损伤。然而，Bose-Einsteinhttp://www.esunfu.com/dcxcn/index.html大部分损伤可以通过硅高温退火消除，而热退火温度一般远低于扩散工艺温度。小结：pn结的简单制作过程图0.5给出了制作pn结的基本步骤，这些步骤中包含了前面段落所讲的一些工艺。